Carbonatite melt pathways connect the deep mantle to Archean craton margins
本研究は、長周期地磁気テンソル（マグネトテリュリック）データを利用して、ガウラークラトン下部の電気伝導性かつ異方的な構造を特定しており、これは揮発性物質や希土類元素をクラトン縁辺部へと運ぶ深部マントル・カーボナタイト融体の証拠であり、そこでは、析出したグラファイトがモホ面における低抵抗特性を生み出している。
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地球の表面深くでは、惑星の内部から地表へと炭素を戻す隠れたサイクルが動いており、このプロセスは何十億年もの間、活動し続けています。このサイクルは、大気や海洋の化学組成を調節しているため、非常に重要ですが、炭素が深いマントルから地殻へと移動するメカニズムは、これまで解明されないまま残されてきました。科学者たちは、炭素に富んだ岩石が沈み込み帯（一つのプレートがもう一つのプレートの下に滑り込む場所）において、地球の内部へと引き込まれることを知っています。この過程の早い段階で放出される炭素もありますが、かなりの部分が、カーボナタイトと呼ばれる特殊な溶融岩によって運ばれ、より深くへと移動すると考えられています。これらのメルト（溶融体）は、炭素が豊富で、希少な元素やガスを溶解・輸送できるという点で独特です。しかし、地下深くにあるこれらの極めて小さなメルトの塊を直接見ることは、非常に困難です。それらはあまりに小さすぎて直接見ることはできず、地表に送る信号も、水に富む鉱物などの他の物質と混同されやすいのです。
アデレード大学の研究チームは、強力な手法である「マネタロブリックス（電磁探査）」を用いて、南オーストラリアのガウラー・クラトンใต้にあるこの隠された世界を覗き見ました。このクラトンと呼ばれる古代の岩塊は、大陸の安定した核を形成しています。研究者たちは、自然界を流れる天然の電流を測定するために、景観全体にセンサーのネットワークを配置しました。電流が時間の経過とともにどのように変化するかを分析することで、彼らは地下深くの電気伝導率の詳細な三次元マップを作成することができました。彼らの目的は、あの捉えどころのないカーボナタイト・メルトの痕跡を見つけ出し、それが地球の地殻とマントルをどのように移動しているのかを理解することでした。
研究者たちは、ガウラー・クラトンの中心部の深部において、際立った異常を発見しました。深さ約180キロメートル、地球の硬い外殻と、その下の流動的なマントルが接する境界付近において、彼らは極めて高い導電性を持つ岩石層を発見しました。この層は、すぐ上の岩石よりも約1,000倍も高い導電性を示しています。チームは、この導電層が均一ではないことも突き止めました。それは非常に方向性を持っており、特定の方向に対して他の方向よりもはるかに容易に電気を伝えます。この方向性を持つ特性は「異方性」と呼ばれ、この導電性物質が単なるランダムな液体の塊ではなく、細く整列したチャネル（流路）として組織化されていることを示唆しています。
著者らは、この導電的で方向性のある層の最も可能性の高い説明は、ごく微量のカーボナタイト・メルトであると主張しています。彼らの推定によれば、大きなバケツに入った数滴の水ほどの、わずか0.05パーセントという極めて小さな体積のメルトであっても、観察された電気信号を作り出すのに十分であるとのことです。この微量なメルトは、鉱物の粒の境界に沿って連結したネットワークを形成するため、岩石の電気抵抗を劇的に低下させます。研究者たちは、水に富む鉱物だけではこの現象を説明できないとして、その可能性を明確に否定しました。水は岩石の導電性を高めますが、今回測定されたレベルの導電性は、たとえ岩石が水で飽和していたとしても、水のみでは説明できないほど高すぎるのです。彼らはまた、フッ素に富む鉱物の可能性も検討しましたが、証拠はより強く、炭素に富むメルトの存在を指し示しています。
この研究はまた、古代のクラトンの縁付近における、関連した第二の現象をも明らかにしました。地殻とマントルの境界である深さ約40キロメートルの地点で、研究者たちは別の低電気抵抗帯を発見しました。深部のマントル内の導電体とは異異なり、この領域は方向性が低いものです。チームはこれを、炭素が深いメルトによって運ばれた後、放出され、グラファイト（黒鉛）へと変化した場所であると解釈しています。炭素に富む流体が上昇して冷却されるにつれて、炭素は溶液から析出し、電気の優れた導体であるグラファイトを形成しました。このプロセスにより、数十億年にわたって安定して存在し続ける、永続的で導電的な層が形成されました。
この発見は、深部マントルと地球表面との間の連続的なつながりを示唆しています。研究者らは、古代の構造運動、具体的には約16億年前の海洋プレートの沈み込みが、炭素に富む物質をマントル深部へと押し込んだと提唱しています。この物質は微量のカーボナタイト・メルトを発生させ、それがクラトンの底部にあるチャネル内に閉じ込められました。時間が経つにつれて、このメルトの一部はクラトンの縁へと移動し、地殻へと上昇して、グラファイトの堆積物を残していきました。この経路は、電気信号を説明するだけでなく、オリンピック・ダムのような主要な鉱床に見られるような価値ある元素が、どのように地球の地殻へと輸送され、濃縮されてきたかというメカニズムをも提供しています。これらの知見は、複雑な生命の誕生以来、地球の化学組成や鉱物資源の豊かさを形作ってきた、深部地球のプロセスを垣間見る貴重な機会を与えてくれます。
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